高原環(huán)境EGR對(duì)生物質(zhì)燃料柴油機(jī)性能的影響

譚澤飛，畢玉華，狄玉龍，歐陽(yáng)文斌，申立中

（1.昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2.西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

高原環(huán)境EGR對(duì)生物質(zhì)燃料柴油機(jī)性能的影響

譚澤飛1，2，畢玉華1，狄玉龍1，歐陽(yáng)文斌2，申立中1

（1.昆明理工大學(xué) 云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2.西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

為研究高原環(huán)境下EGR系統(tǒng)與燃用生物質(zhì)燃料B25E5對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響，進(jìn)行了柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：燃用純柴油時(shí)，外特性工況下的動(dòng)力性隨著EGR率的增大而降低，降低的幅度為3%～15%；負(fù)荷特性下，EGR率對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性無(wú)明顯影響，缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高燃燒溫度隨著EGR率的增大均降低。與純柴油相比，燃用生物質(zhì)燃料B25E5時(shí)，動(dòng)力性有所下降，下降的幅度為2%～12%；燃油消耗率有所上升，開(kāi)啟EGR后，經(jīng)濟(jì)性最差，最大降幅達(dá)到29%；缸內(nèi)最高燃燒壓力和最高燃燒溫度變化均不明顯。在2 200 r/min的不同負(fù)荷工況下，燃用B25E5并開(kāi)啟EGR后，NOx排放量下降，平均下降幅度為35%，碳煙排放有小幅上升，平均增幅為16%，CO的排放量無(wú)明顯變化。

柴油機(jī)用生物質(zhì)燃料；性能；排放；廢氣再循環(huán)技術(shù)；高原環(huán)境

隨著全球能源危機(jī)的日益加重和環(huán)境法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，開(kāi)發(fā)與使用清潔的替代能源成為解決這兩大問(wèn)題的重要途徑。生物柴油與乙醇具有優(yōu)良的環(huán)保性，而且都屬于可再生能源，因而可以考慮將其作為替代能源；與石化柴油相比，生物柴油的十六烷值較高，可以改善乙醇?jí)喝夹Ч患训那闆r，還可充當(dāng)乙醇和柴油混合的助溶劑；乙醇的粘度較低，可以解決生物柴油霧化效果不佳的問(wèn)題。利用生物柴油、乙醇和柴油的互補(bǔ)性，配制成的BED(由生物柴油、乙醇和石化柴油按一定比例混合而成的生物質(zhì)燃料)燃料，可以直接應(yīng)用在柴油機(jī)上，改善柴油機(jī)的排放狀況，是石化柴油替代燃料的熱門(mén)選擇[1-2]。由于BED燃料含氧，在改善燃燒過(guò)程的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加，柴油機(jī)在高負(fù)荷時(shí)，CO和HC排放與燃用柴油相比下降明顯，但NO排放有所增加[3-7]。EGR技術(shù)是降低柴油機(jī)NOx排放的有效措施之一，燃用生物柴油與EGR技術(shù)結(jié)合可以同時(shí)大幅度降低 PM和NOx排放。高原環(huán)境下，由于大氣壓力降低，空氣密度減小，導(dǎo)致進(jìn)氣壓力降低，進(jìn)氣量減少，給發(fā)動(dòng)機(jī)的性能帶來(lái)不利的影響。BED燃料的含氧特性可以在一定程度上解決進(jìn)氣氧含量不足的問(wèn)題[8-14]。燃用BED燃料并結(jié)合EGR 技術(shù)，有改善發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境特殊工況下性能和排放的潛力，但這方面的研究報(bào)道并不多。

選擇B25E5燃料，以滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)為研究對(duì)象，綜合研究柴油機(jī)燃用B25E5燃料并結(jié)合EGR技術(shù)對(duì)柴油機(jī)性能的影響，對(duì)BED燃料和EGR技術(shù)在高原地區(qū)推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為4102型增壓中冷柴油機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用中冷EGR系統(tǒng)，滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的燃燒分析儀、AVL2SD3-25交流電力測(cè)功機(jī)、ABB FCM2000油耗儀、AVL415S煙度計(jì)、MEXA-7500DEGR廢氣分析儀等。

表1 柴油機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical parameters of diesel engine

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)用B25E5燃料使用的3三種基礎(chǔ)燃料分別為：0號(hào)柴油、地溝油制成的生物柴油和濃度99.5%的無(wú)水乙醇，按照一定體積比例混配而成的生物柴油-乙醇-柴油混合燃料B25E5（5%體積比例的無(wú)水乙醇，25%體積比例的生物柴油和70%體積的0號(hào)柴油）主要理化特性見(jiàn)表2。

表2 燃料主要理化特性Table 2 Main physicochemical properties of fuels

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)海拔高度為1 920 m，大氣壓力為81 kPa。相對(duì)濕度為20%～35%，環(huán)境溫度為15～25 ℃。在試驗(yàn)中未對(duì)柴油機(jī)做任何改動(dòng)，未對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做大氣修正。在試驗(yàn)用柴油機(jī)上燃用B25E5燃料和純柴油并結(jié)合對(duì)EGR系統(tǒng)的控制，研究燃用B25E5（關(guān)閉EGR）、燃用純柴油（開(kāi)啟EGR）和燃用B25E5并開(kāi)啟EGR時(shí)與原機(jī)性能、燃燒和排放特性的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性分析

圖1是燃用B25E5和不同EGR條件與原機(jī)的外特性對(duì)比曲線圖?？梢钥闯觯谕馓匦怨r下，動(dòng)力性隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)呈一定的規(guī)律性，與原機(jī)相比，開(kāi)啟EGR后，低轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力性沒(méi)有明顯下降，中間轉(zhuǎn)速降幅最大，降低幅度為3%～15%；燃用B25E5時(shí)，在中間轉(zhuǎn)速，降低幅度達(dá)到2%～12%，燃用B25E5并開(kāi)啟EGR時(shí)，最大降幅為29%。分析認(rèn)為：低轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)較大，燃燒比較充分，開(kāi)啟EGR對(duì)動(dòng)力性影響不大，隨轉(zhuǎn)速上升，過(guò)量空氣系數(shù)減小，開(kāi)啟EGR后，參與燃燒的新鮮空氣變少，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率降低，動(dòng)力性下降； B25E5燃料的熱值較柴油要低，是柴油機(jī)動(dòng)力性下降的主要原因；燃用B25E5并開(kāi)啟EGR時(shí)，由于B25E5燃料的熱值較低，加之引入EGR后，過(guò)量空氣系數(shù)減小，使缸內(nèi)燃燒惡化，柴油機(jī)動(dòng)力性大幅下降[10]。

圖1 外特性對(duì)比曲線Fig.1 Comparison curves of external characteristic

圖2是2 200 r/min的負(fù)荷特性下經(jīng)濟(jì)性對(duì)比曲線。可以看出：負(fù)荷特性工況下，燃油消耗率隨著負(fù)荷的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，在小負(fù)荷時(shí)，燃燒BED燃料的燃油消耗率較高，隨著負(fù)荷的增大，燃油消耗率逐漸變?。籈GR系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的有效燃油消耗率影響較小，燃用B25E5時(shí)，有效燃油消耗率上升。分析認(rèn)為：試驗(yàn)工況為中高轉(zhuǎn)速，不同負(fù)荷率，過(guò)量空氣系數(shù)適中，同時(shí)生物柴油和乙醇含氧，能有利于改善濃混合氣區(qū)域燃燒不完全狀況，因此EGR系統(tǒng)引入的廢氣沒(méi)有使燃燒惡化；由于B25E5熱值較低，達(dá)到相同功率要消耗更多的燃料，因而有效燃油消耗率有所上升。

圖2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比曲線Fig.2 Comparison curves of economy

2.2 柴油機(jī)的缸內(nèi)燃燒過(guò)程分析

圖3是2 200 r/min，25%負(fù)荷特性工況下的缸內(nèi)壓力變化曲線。可以看出，燃用B25E5時(shí)，與原機(jī)相比，缸內(nèi)最高壓力無(wú)明顯變化；開(kāi)啟EGR后，缸內(nèi)最高壓力明顯下降，最高壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角無(wú)明顯變化；燃用B25E5并開(kāi)啟EGR時(shí)的變化規(guī)律與關(guān)閉EGR時(shí)基本相同。分析認(rèn)為：因?yàn)锽25E5混合燃料的熱值低，會(huì)使燃燒溫度降低，同時(shí)B25E5為生物質(zhì)含氧混合燃料，使參與燃燒的氧原子數(shù)增加，促進(jìn)了燃燒，因而缸內(nèi)最高燃燒壓力無(wú)明顯變化；開(kāi)啟EGR后，廢氣的引入使缸內(nèi)的新鮮空氣量減少，導(dǎo)致燃燒情況惡化，缸內(nèi)最高壓力下降。

圖4是2 200 r/min，25%負(fù)荷特性工況下的缸內(nèi)溫度變化曲線。可以看出，當(dāng)開(kāi)啟EGR后，缸內(nèi)最高燃燒溫度下降，燃燒后期溫度有所上升，燃用B25E5時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒溫度無(wú)明顯變化，燃用B25E5并開(kāi)啟EGR時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒溫度有小幅下降。綜合分析認(rèn)為：開(kāi)啟EGR后，缸內(nèi)氧原子數(shù)目減少，使滯燃期可燃混合氣的形成受到不利影響，直接導(dǎo)致了最高燃燒溫度下降，又因?yàn)閺U氣中的CO2和H2O對(duì)燃燒有阻滯作用，使后燃加劇，因而燃燒后期溫度有所增加；由于B25E5燃料自身含氧，能促進(jìn)燃燒，可以縮短滯燃期，改善燃燒情況，B25E5和EGR在綜合作用時(shí)，燃料含氧部分解決了引入EGR后過(guò)量空氣系數(shù)減小的問(wèn)題，因此缸內(nèi)最高溫度下降幅度較小。

圖3 缸內(nèi)壓力變化Fig.3 Changes of pressure in cylinder

圖4 缸內(nèi)溫度變化Fig.4 Changes of temperature in cylinder

2.3 柴油機(jī)排放特性分析

圖5是2 200 r/min負(fù)荷特性工況下的NOx排放對(duì)比圖 ?？梢钥闯?，燃用B25E5時(shí)，NOx排放有所上升，平均增幅為6%，開(kāi)啟EGR后，NOx排放量明顯下降，平均降幅為46%；燃用B25E5并開(kāi)啟EGR時(shí)，降低幅度比燃用純柴油并開(kāi)啟EGR時(shí)小，平均降低35%。分析認(rèn)為：一方面，B25E5燃料含氧，增加了缸內(nèi)氧原子濃度，能增加NOx的生成，另一方面，乙醇汽化潛熱較高，不利于缸內(nèi)溫度的上升，同時(shí)作用下，使NOx有小幅增加；開(kāi)啟EGR后，由于廢氣中的H2O和CO2的比熱容較大，降低了缸內(nèi)最高燃燒溫度，破壞了NOx的生成條件，所以開(kāi)啟EGR后，NOx排放量減少；B25E5和EGR同時(shí)作用下，EGR對(duì)NOx排放的影響占主導(dǎo)地位，使NOx排放量有所減小。

圖5 2 200 r/min負(fù)荷特性NOx排放對(duì)比Fig.5 Comparison of NOx emission of load characteristic under 2 200 r/min

圖6是2 200 r/min負(fù)荷特性工況下的碳煙排放對(duì)比圖?？梢钥闯觯_(kāi)啟EGR后，碳煙排放量明顯上升，平均增加209%；燃用B25E5時(shí)，碳煙排放量下降，平均降低35%，燃用B25E5并開(kāi)啟EGR后，碳煙排放量平均增加16%。分析認(rèn)為：開(kāi)啟EGR后，隨著廢氣循環(huán)的增加，缸內(nèi)氧原子數(shù)目減少，是碳煙排放量增加的主要原因，由于B25E5混合燃料自身含氧，使碳煙排放有所改善，在B25E5與EGR同時(shí)作用時(shí)，在一定程度上彌補(bǔ)了開(kāi)啟EGR時(shí)缸內(nèi)氧原子數(shù)目降低的問(wèn)題，使碳煙排放增加的幅度減小。

圖6 2 200 r/min負(fù)荷特性碳煙排放對(duì)比Fig. 6 Comparison of smoke emission of load characteristic under 2200 r/min

圖7是2 200 r/min負(fù)荷特性工況下CO排放對(duì)比曲線圖?？梢钥闯觯篊O排放量隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加，先增大后減?。蝗加肂25E5時(shí)，CO排放平均下降15%，開(kāi)啟EGR后，CO排放平均增加67%；燃用B25E5并開(kāi)啟EGR后，碳煙排放量與原機(jī)相比無(wú)明顯變化。分析認(rèn)為：由于B25E5燃料生物質(zhì)，有利于CO的氧化，2 200 r/min，25%負(fù)荷率下，柴油機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)較大，因此CO排放量下降；開(kāi)啟EGR后，過(guò)量空氣系數(shù)降低，CO排放量增加；由于B25E5與EGR的綜合作用，使CO排放量無(wú)明顯變化[15]。

圖7 2 200 r/min負(fù)荷特性CO排放對(duì)比Fig.7 Comparison of CO emission of load characteristic under 2 200 r/min

3 結(jié) 論

（1）外特性工況下，燃用純柴油時(shí)，隨著EGR率的增大，動(dòng)力性下降，燃用B25E5并開(kāi)啟EGR后，與原機(jī)相比，柴油機(jī)的動(dòng)力性明顯下降，應(yīng)適當(dāng)減小EGR率并增加B25E5噴油量。

（2）EGR技術(shù)對(duì)柴油機(jī)的油耗影響不明顯，B25E5燃料的經(jīng)濟(jì)性差于純柴油。中小負(fù)荷工況，有EGR時(shí)B25E5燃料的油耗高于無(wú)EGR時(shí)的油耗。

（3）EGR技術(shù)使不同燃料的缸內(nèi)溫度和壓力下降；B25E5燃料缸內(nèi)溫度和壓力的下降幅度低于純柴油。

（4）EGR技術(shù)使柴油機(jī)的NOx排放明顯下降，并隨著負(fù)荷增大，下降的幅度增加；碳煙排放量小幅上升，CO排放量基本不變，而B(niǎo)25E5燃料的碳煙和CO排放明顯低于純柴油。

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Effects of EGR system under plateau environments on performance of diesel engine used biomass materials fuels

TAN Ze-fei1,2, BI Yu-hua1, DI Yu-long1, OUYANG Wen-bin2, SHEN Li-zhong1
(1.Yunnan Provincial Key Laboratory of Engines, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, Yunnan, China;2. School of Mechanical and Transport, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)

In order to study the inf l uences of performance and emissions of burning biomass fuel B25E5 and EGR system under plateau environment, the diesel engine stand tests were conducted. The experimental results show that while burning pure diesel, the power performance with the increase of EGR rate lowered under the working conditions of external characteristic, the falling range of 3%～15%;Under the working condition of load characteristic, EGR rate had no signif i cant effect on the economy of diesel engine, the maximum combustion pressure in cylinder and the maximum combustion temperature decreased with the increase of EGR rate; Compared with the pure diesel fuel, when burned the B25E5 fuel, the dynamic performance felled slightly, the declining range was 2%～12.5%; The specific fuel consumption rose, after opened the EGR, the economy became worse, the largest decline reached 29%; the change of maximum combustion pressure in cylinder and maximum combustion temperature were not obvious. Under different load conditions of the 2200 r/min, after burning biomass Fuel B25E5 and opened the EGR, the emissions of NOx felled, the average decline was 35%, the emission of smoke rose slightly, the average growth was 16%, the emissions of CO was not obvious.

biomass materials fuels used in diesel engine; discharge; emission; exhaust gas recirculation (EGR); plateau environment

S776.2；TK421+.5

A

1673-923X(2015)04-0109-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.019

2014-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51246004）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51466003）；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011FZ138）

譚澤飛，副教授，碩士 通訊作者：申立中，教授，碩士，博士生導(dǎo)師；E-mail：lzshen@foxmail.com

譚澤飛,畢玉華,狄玉龍,等. 高原環(huán)境EGR對(duì)生物質(zhì)燃料柴油機(jī)性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(4):109-113.

[本文編校：文鳳鳴]